野川煤矿三采区过空巷防治水技术应用

樊大鹏

（晋能控股集团晋城公司，山西 晋城 048400）

1 矿井概述

1.1 井田布置情况

山西煤炭运销集团野川煤业有限公司矿井采用斜井开拓方式，全井田布置2 个开采水平，1 个辅助水平。3 号煤层为一水平，标高+740 m，11 号煤层为二水平辅助水平，标高+820 m，15 号煤层二水平，标高为+690 m[1-2]。

1.2 煤层赋层情况

3 号煤平均厚5.36 mm，抗压强度为2.32 MPa；直接底为泥岩，厚1.5 m，抗压强度为18.87 MPa；直接顶为泥岩，厚1 m，抗压强度为22.5 MPa。

1.3 采区布置现状

三采区位于井田中部，采区内部受兼并重组前原山西高平柳树底煤业有限公司、原山西高平北杨煤业有限公司开采破坏影响，存在较多小窑破坏区，部分小窑破坏区内存在采空区积水。根据三采区设计规划，设计在三采区中部沿3 号煤层顶板东西向布置一组采区巷道作为三采区开采巷道，延伸至井田东部古空区西部边界，现基本已施工到位[3]。

三采区三条大巷附近有JS4、JS5、JS6、JS7 四处采空积水，积水面积共91 014 m2，积水量共146 782 m3。根据采掘工程平面图，三采区内采空区处最高标高+790 m，按最不利条件下，即采空区内部全部充满水的情况，积水标高+795 m，三采区巷道贯通老巷处最低底板标高取+762 m，水头压力为0.33 MPa[4]。

2 三采区老空区积水特征

2.1 老空积水来源分析

对照3 号煤层矿井充水性图分析[5]，这些老空区都存在不同程度的积水，既有集中连片的大面积积水区，也有位于空巷低洼地带的小范围积水区。老空水的来源有以下几个方面：

1）大气降水。大气降水通过不同成因的基岩裂隙及松散堆积物孔隙在裂隙沟通的情况下进入采空区，成为采空区充水的间接但重要的补充来源。对比分析3 号煤层底板等高线与埋深等值线，受煤层底板高程控制，采空区积水由东南向西北汇聚，受大气降雨影响，矿井涌水量具有明显的动态变化特征。2010 年10 月初，本地区发生连续强降雨，矿井涌水量达到134.3 m3/h，说明大气降水通过裂隙、煤层露头补给地下水。

2）顶板含水层水渗入。在采空区顶板冒落带、裂隙带影响高度范围内，各含水层的水缓慢流入采掘空间，成为老空区充水的主要来源。二叠系碎屑岩裂隙含水层包括K9、K8、K7 等砂岩，其中K8 位于3 号煤层之上，对3 号煤层采空区充水的影响较大。

3）相邻采空区积水涌入。周边有其他煤矿的大面积采空区及古空区，可能存蓄着老空水。在采空区顶板岩石导水裂隙带，或地质构造等不同沟通渠道的作用下，可对相邻采空区产生不同程度的充水。

2.2 采区防水密闭涌水特征

根据三采区巷道实际揭露老巷情况，三采区巷道内共施工4 处普通密闭，编号为CB55、YCB68、YCB74、YCB61。通过现场观测、记录各个密闭的涌水量及其变化情况，分别对2022 年4—9 月三采区防水密闭涌水量进行了统计发现，YCB55、YCB68 和YCB74 三处密闭的涌水量均小于1.0 m3/h，涌水量基本稳定。YCB61 涌水量最大，2022 年6 月中旬至8 月下旬，涌水量在19.1～27.4 m3/h，从8 月下旬开始涌水量稳定在19.0 m3/h 左右，如图1 所示。2022 年7—9 月三采区防水密闭涌水量合计约48 900 m3。由于普通密闭墙抗水压强度低、堵水效果差，从9 月下旬开始，密闭墙出现破裂现象，墙体表面浆皮脱落，存在严重水害隐患。

图1 三采区防水密闭4—9 月涌水量变化曲线及总涌水量图

3 三采区过空巷综合防治水技术

3.1 综合探放水技术

1）在进行井下采掘作业之前，需要采用钻探和物探相结合的方法进行老空区积水的探测，查明老空区空间分布，圈定垮落带、导水裂缝带大致范围及其埋深，确定老空区积水范围。此次电法勘探取得的主要成果为：圈定了3 号煤层老空区、老空积水区、岩层富水区范围；推断解释3 号煤层老空区7 处，总面积792 129 m2；推断解释3 号煤层老空积水区7 处，总面积233 906 m2；推断解释3 号煤层附近岩层富水区1 处，总面积7 065 m2。

2）目前，野川煤矿主要疏放三采区胶带巷迎头的老空水。2022 年7 月8 日在三采区胶带巷1 398 m 处进行超前钻探施工时，钻至76 m 时探测到原乔家沟煤矿采空区，然后对钻孔周边裂隙及出水钻孔进行了注浆封堵加固。封堵结束后重新施工4 个放水孔，初始水压0.92 MPa，9 月25 日水压0.81～0.84 MPa；单孔初始水量23.8～105 m3/h，9 月25 日单孔水量100～145 m3/h，如图2 所示。

图2 三采区胶带巷迎头探放水示意图

3）要及时排查地面裂缝和塌陷地点，并及时填塞，填塞后的地方必须彻底碾压压实。雨季需对重点危险区域进行巡查，矿区降大到暴雨时和降雨后，应派专业人员及时观测矿井涌水量变化情况。

3.2 设置堵水密闭墙

根据三采区巷道实际揭露老巷情况，在三采区巷道内共需施工9 处防水密闭、13 处普通密闭。

3.2.1 密闭墙形状确定

根据上述水压计算，采空区水压最大为0.33 MPa，小于1.6 MPa，根据施工难易程度，防水闸墙硐室墙体结构形式选择楔形结构，如图3 所示。采用强度为C30混凝土砌筑，砌筑后腔体轴心抗压强度σc=14.3 MPa，轴心抗拉强度σt=1.43 MPa。

图3 楔形结构堵水密闭墙平面示意图（单位：mm）

3.2.2 防水密闭墙墙体厚度确定

防水密闭墙长度按下式计算：

式中：L 为密闭墙墙体长度，m；B 为密闭墙前、后巷道净宽，5.2 m；H 为密闭墙前、后巷道净高，2.8 m；p 为密闭墙硐室设计承受的水压，0.33 MPa；r0为结构的重要性系数，取1.1；rf为结构的分项系数，取1.3；rd为结构系数，一般取1.20～1.75，此处取1.75；σcc为素混凝土的轴心抗压强度设计值，其值按混凝土轴心抗压强度设计值σc乘以0.85 确定，即12.16 MPa；α 为凸基座支承面与硐室中心线间夹角，一般为20°～30°，取20°。由此可计算出密闭墙长度L=0.17 m。防水密闭墙的厚度应在计算值的基础上考虑2～3 倍的安全系数，但密闭墙最小厚度不得小于3 m，所有取密闭墙厚度为3 m。

3.2.3 防水密闭墙施工

1）掏槽施工：掏槽一般应按先上后下的原则进行，矸石等杂物应清理干净；即先掏槽巷道顶部，再施工两帮，最后开挖巷道底部。顶部开挖后用锚网支护，确认安全后再施工两帮，开挖后再用锚网支护，然后再开挖巷道底部；掏槽后在巷道四周打锚杆，杆体长度2 200 mm，外露500～700 mm，锚杆间距800 mm×800 mm，外露部分最好与钢结构模板骨架连接，在混凝土浇筑时作为配筋一并浇筑，以提高防水密闭墙体稳定及抗剪性能。

2）防水密闭墙浇筑：对混凝土浇筑时，要将底部浮煤等全部清除干净，并将钢结构模板骨架、模板和预埋排水管安设好，各施工人员到齐、到位后进行浇筑，每一个密闭墙应连续浇筑，保证紧密结合，构成一个坚固整体。C30 混凝土各成分质量配比为0.38∶1∶1.1∶2.7，即水180 kg、水泥460 kg、砂510 kg、石子1 250 kg，水泥型号为425#水泥，砂子为中砂，含泥量（质量分数）不超过4%，石子粒径小于16 mm。墙体浇筑期间要在巷道最顶部预留注浆管，在混凝土浇筑时可通过加压的浆液在墙体四周接缝处挤压充填密实，保证墙体强度。防水密闭墙浇筑竣工后，需对防水密闭墙四周的围岩裂缝处进行注浆封堵，以防防水密闭墙周围的围岩通过裂缝向外渗水或涌水。

4 结语

野川煤矿对三采区老空巷积水来源、积水量进行合理分析，并采取合理防治水技术后，共计放水76 890 m3，并通过设置堵水密闭墙对残余积水进行封堵，实测密闭墙放水量为21 118 m3，未出现防水墙破裂、渗水现象，堵水效果好，满足煤矿防治水要求，取得了显著应用成效。